[논문]도시가스 용 바이오 가스 정제 시스템 개발

이현진; 고상욱; 이인동; 정인희; 고재욱

doi:10.7842/kigas.2019.23.2.61

도시가스 용 바이오 가스 정제 시스템 개발
Development of Biogas Purification System for City Gas Supply 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.2, 2019년, pp.61 - 67

이현진 (광운대학교 화학공학과) , 고상욱 (광운대학교 화학공학과) , 이인동 (광운대학교 화학공학과) , 정인희 (광운대학교 화학공학과) , 고재욱 (광운대학교 화학공학과)

초록
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우리나라는 천연가스 수입국으로 2018년 미국이 수출한 물량의 20%를 수입할 정도로 많은 양을 수입하고 있다. 이에 가스 수요를 만족시키며, 기후변화 대응에 효과적으로 대응할 수 있는 바이오가스는 대체제가 될 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 바이오가스의 생산량의 20%만이 판매되고 있고, 이 역시 효율이 좋지 못해 활용하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 바이오가스를 도시가스로 공급 할 수 있는 최적의 정제 시스템을 개발을 목적으로 하였다. 시스템 선정을 위한 바이오가스에 대한 분석, 시스템 설계를 위한 사례 발굴, 시나리오 구성, 비용편익 툴을 개발하고 사례 적용하여 최적의 시스템을 개발하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korea is natural gas importer which imports a lot quantities which 20% of the volume of US exports in 2018. Biogas which can satisfy gas demand and respond effectively to climate change, will be an alternative. However, only 20% of biogas production is sold, which is also not efficient and difficult to use. The purpose of this study develops an optimal purification system for supplying biogas as city gas. We develope an optimal system by analyzing biogas for system selection, finding cases for system design, developing scenario, and developing a cost - benefit tool.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Biogas market in the world [10]
그림 Fig. 2. Process schematic diagram of biogas purification
표 Table 1. Result of biogas component analysis
표 Table 2. Water content with biogas temperature
표 Table 3. Biogas compositions from different process of sewerage waste water treatment
표 Table 4. Biogas composition from sewerage before and after desulfuration
표 Table 5. Major facilities of biogas purifying
그림 Fig. 3. Cost-benefit calculation tool for purifying system
표 Table 6. Operating scenario of purifying system
표 Table 7. Major variable of cost-benefit analysis
그림 Fig. 4. Expected amount of product gas with operating pressure
그림 Fig. 5. Expected results with biogas purity
표 Table 8. Result of cost-benefit calculation for purifying system

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 바이오매스 기반의 저급에너지를 고질화하여 연료전지, 수송용 및 도시가스용으로 활용이 가능한 바이오가스로 정제하는 시스템을 개발하고자하며, 한국형 바이오메탄 제조시설 개발의 최적화를 목적으로 한다.

제안 방법

바이오가스 정제 후 바이오 천연가스를 제조하고 도시가스로 공급하는 것과 LNG를 공급하는 것과의 비용편익을 분석하였다. 각각 케이스의 투자비, 운전비 등은 3.3의 운전시나리오를 기반으로 하여 진행하였다.
개발된 비용편익 툴은 케이스별로 분석이 가능하며, 시나리오 별로 운영 데이터를 달리하여 입력값에 등록할 수 있도록 개발하였다.
다음과 같이 경제성 분석의 주요가정을 활용하여 비용편인 계산 결과를 산출하였다. (Table 7)
데이터 예측은 운전 압력 및 바이오가스 품질을 기준으로 진행하였고, 플랜트의 운전 모드 별 예상 결과는 다음과 같다.
바이오가스 정제 후 바이오 천연가스를 제조하고 도시가스로 공급하는 것과 LNG를 공급하는 것과의 비용편익을 분석하였다. 각각 케이스의 투자비, 운전비 등은 3.
연구를 통하여 바이오 가스의 정제를 통해 도시가스로 공급하는 시스템을 개발하였다. 바이오가스 품질을 분석하여 정제해야할 성분을 분석하고 이를 바탕으로 하여 정제 시스템의 주요 설계인자를 도출하였다. 주요 인자를 통해 케이스별 시나리오를 작성하였고, 최적 설계를 판다하기 위해 비용편익툴을 개발하여, 평가 가능하도록 진행하였다.
설계 전 데이터를 얻기 위해 적용할 대상의 성분을 분석하였다. 기본적인 탈황을 활용하여 바이오가스를 사용하고 있으며, 방식은 습식탈황법이다.
시나리오 작성은 설계 주요인자 도출을 통하여 수분 및 먼지를 제거할 수 있는 설비, 탈황설비, 실록산 설비의 구성에 대하여 진행하였다.
시나리오는 용량과 수량에 따라 설정, 유지보수 기간 및 운전정지 일수 등을 포함, 보수에 사용되는 비용을 산출하였다.
여재 교체주기를 통해 장비의 용량을 선정하고 선정된 장비의 여재량을 계산하고, 비용을 산출하였다.
연구를 통하여 바이오 가스의 정제를 통해 도시가스로 공급하는 시스템을 개발하였다. 바이오가스 품질을 분석하여 정제해야할 성분을 분석하고 이를 바탕으로 하여 정제 시스템의 주요 설계인자를 도출하였다.
연구에서는 할인현금수지 분석법을 통하여 정확한 분석을 진행하였다. Table 7에서 비용편익 주요번수를 정리하였다.
용량은 탈황과 실록산을 처리하기 위해 필요한 여재를 6개월마다 교체하고 1년에 1회 교체하는 두가지를 설정, 100% 1기, 100% 2기 설치의 두케이스로 나눠, 총 4케이스로 분류하였다. 각 케이스 별 작성된 시나리오는 Table 6와 같다.
바이오가스 품질을 분석하여 정제해야할 성분을 분석하고 이를 바탕으로 하여 정제 시스템의 주요 설계인자를 도출하였다. 주요 인자를 통해 케이스별 시나리오를 작성하였고, 최적 설계를 판다하기 위해 비용편익툴을 개발하여, 평가 가능하도록 진행하였다.
할인현금수지 분석법을 통하여 투자회수기간법, 내부수익율법, 순현다 등을 산출하였다. 투자회수기간법은 투자비의 회수를 기간 내에 가능한지 이해 할 수 있으며, 내부수익율은 현금흐름과 순자산 가치의 합을 “0”으로 만들어주는 할인율을 의미한다.

대상 데이터

개발된 시스템은 “D”물재생센터에서 발생되는 하수슬러지로부터 발생하는 바이오가스를 대상으로 실시하였다.

데이터처리

개발된 시스템의 상황 별 데이터를 예측하여 비교하여 검증을 진행하였다.

성능/효과

개발된 시스템을 통해 사례에 적용하여 고시가스로 활용하기 충분한 바이오메탄을 안정적으로 생산하고 있으며, 고순도와 고 회수율을 통해 최고의 바이오 가스 기반의 도시가스 공급 시스템임을 판단하였다.
본 연구 대상의 바이오 가스는 100ppm이하의 저농도의 황화수소가 포함되어 도시가스로써 활용할 때는 산화철 방식 혹은 활성탄 방식으로 탈황을 진행하는 것이 적절함으로 판단된다.
투자비가 가장 적은 6개월에 교체 1기 설치시가 경제성이 가장 높게 나왔고, 투자비가 컸던 설치시 경제성이 낮게 나와 투자비가 경제성에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있다. 비용편익 분석의 결과는 큰 차이가 나지 않아 플랜트 운영의 형태에 따른 장비의 선정이 중요한 것을 알 수 있다.

후속연구

개발된 시스템은 바이오 가스를 도시가스로 활용하여 바이오 가스의 활용 방안을 확대하는데 기여하였고, 낮은 이용효율을 해결함으로 생산 증대를 진행할 수 있는 중요한 동기가 부여 될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화철 방식은 무엇인가?	산화철이 도포되어 있는 층을 통과하며 반응시켜 제거하는 방식이다. 투자비가 작고 운영비가 저렴하다는 장점이 존재한다[5][6][7].
	염화철 방식의 단점은 무엇인가?	염화철을 소화조에 넣어 소화조 내에서 황화수소를 제거할 수 있으며, 농도를 2000ppm에서 100ppm까지 낮출 수 있으나, 어느 정도의 염화철을 주입해야하는지 파악하기 어려워 과주입하는 단점이 존재한다[1][3][4],
	황을 산화시키는 박테리아가 포함되어 있는 필터를 이용하여 황산을 황으로 변환하는 방법의 장단점은?	황을 산화시키는 박테리아가 포함되어 있는 필터를 이용하여 황산을 황으로 변환하여 제거한다. 이 방법은 2000~3000ppm의 황산을 50~100ppm으로 제거 가능하고 암모니아가 같이 제거되는 장점이 있다. 하지만 가스 내 농도가 50ppm 이상이기 때문에 도시가스 품질 기준을 상회하여 활용하기 적합하지 않다.

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